一張電路圖為PD/Type-C創(chuàng)新而生

時間：2021-09-29 15:24:21

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[導(dǎo)讀]注：原載于TechSugar，2021年9月27日USB充電器大家都在用，而USBPD（USB電源傳輸）規(guī)范也已發(fā)展到3.1版。作為一種快充技術(shù)，PD的應(yīng)用的推廣不斷深入，開發(fā)這類產(chǎn)品的廠商很多，但要設(shè)計一個既符合USBType-C標(biāo)準(zhǔn)和PD3.0協(xié)議要求，同時只使用一個IC，在降低成本的同時實現(xiàn)更高功率密度，易于大批量生產(chǎn)的PD產(chǎn)品還是有點難度。1PD和Type-C有什么區(qū)別？PD協(xié)議是USB-IF組織制定的快速充電協(xié)議之一。USBPD可通過USB電纜和連接器增加電力輸送，擴展USB應(yīng)用電纜總線供電能力。該規(guī)范支持更高的電壓和電流，輸送功率最高可達(dá)100W，并可以自由改變電力輸送方向。Typ...

注：原載于TechSugar，2021年9月27日

USB充電器大家都在用，而USB PD（USB電源傳輸）規(guī)范也已發(fā)展到3.1版。作為一種快充技術(shù)，PD的應(yīng)用的推廣不斷深入，開發(fā)這類產(chǎn)品的廠商很多，但要設(shè)計一個既符合USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)和PD 3.0協(xié)議要求，同時只使用一個IC，在降低成本的同時實現(xiàn)更高功率密度，易于大批量生產(chǎn)的PD產(chǎn)品還是有點難度。

PD和Type-C有什么區(qū)別？

PD協(xié)議是USB-IF組織制定的快速充電協(xié)議之一。USB PD可通過USB電纜和連接器增加電力輸送，擴展USB應(yīng)用電纜總線供電能力。該規(guī)范支持更高的電壓和電流，輸送功率最高可達(dá)100W，并可以自由改變電力輸送方向。

Type-C接口默認(rèn)支持最大5V/3A，但在采用了USB PD協(xié)議以后，能夠使輸出功率支持最大100W。Type-C接口可以正反隨便插，做充電線時，Type-C可提供最高100W的功率；做數(shù)據(jù)線時，Type-C的最快傳輸速度可達(dá)10Gbps。兩者結(jié)合在市場上應(yīng)用比較廣泛，可為相得益彰。

以往，那些“永遠(yuǎn)在線”的消費者隨時隨地都可能為便攜式電子產(chǎn)品充電。但是，由于每個設(shè)備的充電方式不同，消費者必須攜帶不同的適配器。因此，業(yè)界開始考慮使用USB Type-C PD充電，但是設(shè)計一個單芯片充電器集成電路（IC）為不同配置和不同輸入電壓范圍的多個電池供電設(shè)備充電是一個復(fù)雜的過程，因為傳統(tǒng)適配器不能與所有電池供電設(shè)備兼容，且傳統(tǒng)USB適配器的功率限制在5-15W，因此限制了“統(tǒng)一”充電器的努力。

USB Type-C供電（USB PD）提供了一種有效的替代方案，可對各種應(yīng)用進(jìn)行快速有效的充電。USB PD的輸出電壓范圍可根據(jù)使用不同電池配置的設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，以利用USB PD的5W至100W（20V/5A）功率譜。

持續(xù)設(shè)計創(chuàng)新

最近，Power Integrations（PI）推出了一款名為InnoSwitch? 3-PD的高度集成的USB-C PD PPS電源適配器解決方案。PI公司高級技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光表示，InnoSwitch3-PD恰逢其時，正好迎合PD產(chǎn)品在便攜式應(yīng)用的推廣熱潮，而且還有采用氮化鎵（GaN）的選擇，讓功率密度更上一層樓。

據(jù)介紹，針對USB PD設(shè)計與創(chuàng)新，PI一直不遺余力，推出了一系列產(chǎn)品，包括：

2015年，推出了InnoSwitch加FluxLink?。FluxLink是世界上首先出現(xiàn)的一款初級和次級之間用兩個線圈耦合來傳輸次級信息的IC；
2017年，推出了第三代InnoSwitch3；
2019年，推出InnoSwitch3-Pro，有I2C接口，可以和微處理器通信。微處理器是實現(xiàn)PD協(xié)議的接口，用的是Type-C接口和負(fù)載通信，所以實際上InnoSwitch3加了一個數(shù)字接口跟外部控制器通信；同時針對更大功率輸出，如最大功率100W的20V，5A PD應(yīng)用，在三個產(chǎn)品型號中采用了PowiGaN? 開關(guān)；

2020年，為了滿足配件市場對電源更高功率密度的要求，推出了MinE-CAP?，主要是降低輸入大電容所占的空間和尺寸，有助于在不改變工作頻率的情況下進(jìn)一步縮小電源體積。
2021年，發(fā)布的InnoSwitch4-CZ，利用ClampZero實現(xiàn)源鉗位工作和同步整流實現(xiàn)了更小的電源體積。在USB-PD應(yīng)用中，無論是最開始的InnoSwitch，到現(xiàn)在最新的InnoSwitch4第四代產(chǎn)品，PI始終致力于提供更大的輸出功率，同時實現(xiàn)更高的功率密度，這是PI研發(fā)USB-PD應(yīng)用的初衷。

一張圖實現(xiàn)多項創(chuàng)新

這次發(fā)布的產(chǎn)品叫做InnoSwitch3-PD，之前PI的系列產(chǎn)品都有PD功能，為什么還要做InnoSwitch3-PD呢？原來這是一個簡化BOM的PD應(yīng)用方案。

不要小看這張原理圖，它只有一個IC與外邊Type-C的CC1和CC2通信；IC內(nèi)部集成了MCU（微控制器）。而目前市場上很多IC要么是功率器件，要么是數(shù)字器件，后者不承擔(dān)傳輸功率的功能，但現(xiàn)在InnoSwitch3-PD既是一個功率器件，內(nèi)部有高壓MOS管、兩個電源控制器，又有數(shù)字電路和MCU，可以從接口直接連接Type-C接口。

圖：一張圖多項創(chuàng)新
① IC初級側(cè)集成了初級功率高壓開關(guān)，對于功率比較大的用例，可以選擇GaN開關(guān)，就是氮化鎵開關(guān)。其操作方式跟以前的InnoSwitch3一樣，即多模式QR（準(zhǔn)諧振）和CCM（連續(xù)導(dǎo)通模式）。QR電源為非連續(xù)工作狀態(tài)，在波谷地方導(dǎo)通，可以降低初級開關(guān)的開通損耗。

反激電源基本上在低壓輸入情況下都是連續(xù)工作模式，好處是可以降低初級交流有效值，進(jìn)而降低導(dǎo)通損耗。所以在反激應(yīng)用當(dāng)中，有必要優(yōu)化這種工作模式。難點之一是在CCM模式工作時，初級側(cè)有一個功率開關(guān)，次級側(cè)用了同步整流MOS管。而這兩個開關(guān)是不能同時導(dǎo)通的。如果同時導(dǎo)通，電源就會炸掉。那么，用一個控制器同時控制兩個功率開關(guān)就可以保證兩個開關(guān)時序不會出現(xiàn)同時導(dǎo)通的情況，這也非常有利于在CCM模式工作，可靠性非常高。

② 次級側(cè)同步整流MOS管由該控制器直接驅(qū)動，如果用一個控制器控制初級開關(guān)，次級是另一個控制器控制同步整流，兩個控制器的協(xié)同工作就是一個很大的問題，甚至在各種ESD情況下，可能會出現(xiàn)誤導(dǎo)通，對電源的可靠性產(chǎn)生影響，而一個控制器就不存在這樣的問題。同步整流是用MOS管替代經(jīng)常見的二極管整流，后者的導(dǎo)通損耗比較高，所以為了提升效率，現(xiàn)在在市場上的低壓大電流應(yīng)用大部分都是用同步整流方案。再者，一個控制器控制兩個功率開關(guān)，可以將開關(guān)操作的死區(qū)時間做的盡量短，進(jìn)而增加次級同步整流MOS的導(dǎo)通時間，最大限度地提升電源效率。

③ 在USB-PD應(yīng)用中，在輸出直流母線上還有一個功率開關(guān)，這個開關(guān)一般在Type-C接口有電纜插入（如手機）有負(fù)載時才會導(dǎo)通。一旦它檢測到空載或是拔掉了電纜，開關(guān)斷開，輸出端就不會有電壓出現(xiàn)，這是USB-PD協(xié)議中要求的安全可靠性。負(fù)載開關(guān)的驅(qū)動也集成在了InnoSwitch3-PD IC的內(nèi)部，直接提供負(fù)載保護，無需額外的外部電路元件來實現(xiàn)。

④ 次級側(cè)的USB-PD MCU，主要工作是負(fù)載類型檢測，確定是有源負(fù)載還是無源負(fù)載。筆記本電腦等有源負(fù)載既可以作為供電設(shè)備給其他設(shè)備供電，比如給手機充電，又可以作為受電設(shè)備，接受接受其他供電電源對其進(jìn)行充電。所以USB-PD要根據(jù)負(fù)載類型判斷所連接的設(shè)備到底是有源還是無源負(fù)載。這時會通過CC1和CC2進(jìn)行負(fù)載判定。需要用控制器中集成的程序?qū)ω?fù)載類型作出判斷，還要做電纜E-marker（電子標(biāo)識）檢測。Type-C電纜有不同輸出規(guī)格，3A以下的電纜內(nèi)部沒有識別IC，而某些電纜中會放一個小的IC，目的是讓連接的設(shè)備對其加以識別，檢測到E-marker就表明該電纜可以傳輸最大5A的負(fù)載電流；3A以下的輸出電纜不需要E-marker識別IC。

⑤ 如果是100W的20V/5A電源，就一定要用E-marker電纜。USB-PD控制器內(nèi)部的VBUS/VCONN開關(guān)控制功能可以保證給E-marker電纜中的IC提供供電電壓，以進(jìn)行電纜識別檢測，VCONN的電壓通常為3.3V或者5V。InnoSwitch3-PD IC也可以直接輸出提供。作為USB-PD應(yīng)用的連接設(shè)備，使用InnoSwitch3-PD的設(shè)備僅作為供電設(shè)備而存在，因適配器本身不會做為受電設(shè)備與其他設(shè)備連接。IC內(nèi)部的軟件支持PPS（可編程電源），可以對輸出電壓和電流進(jìn)行精確設(shè)定。IC的輸出引腳CC1和CC2直接與電纜的CC1和CC2線相連，進(jìn)行代碼傳輸（高低電平），接受負(fù)載發(fā)送的電壓電流設(shè)定信息。CC1和CC2的額定電壓最大達(dá)到28V，而PD應(yīng)用中最高電壓就是20V，所以電壓額定是安全的。如果有更高的電壓進(jìn)來，會提供OVP保護。內(nèi)部集成的VCONN供電電壓也是通過這兩個線傳輸。

⑥ InnoSwitch3-PD IC還提供一個NTC溫度檢測輸入，以檢測電源系統(tǒng)中的某一個地方的溫度，溫敏電阻可以安裝在電源內(nèi)部溫升高的地方，進(jìn)行系統(tǒng)溫度監(jiān)測，比如變壓器、輸出整流管或者Type-C連接器。如果有溫度異常，可以利用InnoSwitch3-PD內(nèi)部的軟件對其做出響應(yīng)。

⑦ 使用InnoSwitch3-PD的電源不像以前的反激電源有一個電壓采樣，實現(xiàn)固定的電壓或電流輸出特性。這是USB-PD應(yīng)用的一個好處，PD應(yīng)用是根據(jù)負(fù)載的需求來設(shè)定其輸出電壓或電流的。它的輸出電壓范圍是3到24V可調(diào)，每個檔位之間的壓差是10mV，按照PD標(biāo)準(zhǔn)要求每20mV一檔，而PI做到每10mV一檔，可以得到更加精確的輸出電壓；電流亦然，恒流點可真最大輸出數(shù)值的20%-100%之間認(rèn)為設(shè)定；電流可調(diào)的檔位是最大輸出數(shù)值的0.8%。電壓、電流進(jìn)行精確調(diào)整的好處在于，可以省去負(fù)載端的DC-DC電源管理IC，有利于降低用電負(fù)載端內(nèi)部的功耗，降低負(fù)載充電期間的溫升。充電時電流越大，損耗越多，現(xiàn)在利用對AC-DC電壓、電流的調(diào)整，就可以通過指令來讓AC-DC輸出端精確達(dá)到電池所需的充電電壓，這不但可以節(jié)省成本，還可以提升充電效率，這就是PD控制協(xié)議出現(xiàn)的初衷。

⑧ 最后，對于USB-PD的應(yīng)用，PI這顆還提供負(fù)載放電功能，一旦負(fù)載從適配器輸出端斷開，IC會通過VB/D引腳對輸出端放電，以保證輸出端電壓為零伏。

相比競品優(yōu)勢何在？

相對于傳統(tǒng)競品方案，InnoSwitch3-PD節(jié)省了更多元件，可以簡化BOM。對標(biāo)有競品1和競品2，人們經(jīng)常聽到PD電源是一個3芯片方案，或者是一個4芯片方案。統(tǒng)計表明，包括初級側(cè)控制IC、次級同步整流控制IC、USB協(xié)議通信IC加在一起的3芯片解決方案，其所用元件數(shù)目可達(dá)118個，而外加另外一顆有源鉗位驅(qū)動IC的4芯片方案元件總數(shù)會達(dá)到124個。采用InnoSwitch4-CZ有源鉗位方案后，可將總元件數(shù)目降低至79個元件，但如果采用最新高集成度的InnoSwitch3-PD方案，所用元件僅為60個，相對于市場上其他方案幾乎減少了一半。這帶來最大的好處就是可以將電源做得更小，同時增加可靠性。

圖：60W USB-PD適配器元件數(shù)比較
利用市場上唯一的單芯片解決方案同時做到了同步整流驅(qū)動、初級開關(guān)控制，還有PD協(xié)議控制。其20W小魔方充電器設(shè)計的體積比5W充電器大不了多少，幾乎在同一個量級。所用元件數(shù)為44個，每立方厘米功率密度高達(dá)1W。50W超薄型充電器采用INN3870C MinE-CAP單PCB設(shè)計、平面變壓器，元件數(shù)60個，功率密度為1.12W/cm3。65W小魔方充電器采用INN3870C，簡單的雙PCB設(shè)計，元件數(shù)53個，功率密度1.36W/cm3。這些方案使用一到兩塊PCB，抗振動沖擊能力比使用3塊以上PCB的產(chǎn)品更好。同時也可以大大簡化適配器的制造生產(chǎn)流程，節(jié)省成本。

圖：單芯片方案最少元件數(shù)實現(xiàn)超緊湊設(shè)計
InnoSwitch3-PD效率可達(dá)95%，空載功耗低至14mW，把Type-C和PD協(xié)議控制器集成到功率IC內(nèi)部，避免了采用不同廠家協(xié)議接口IC帶來的空載功耗過大的缺點，可以把空載功耗做得更小。100W方案涵蓋了PD最大功率的應(yīng)用，因為其高效率，所以在很多設(shè)計中都不用散熱片，對于高功率密度的設(shè)計也確實沒有空間放散熱片。對于較大輸出功率的可以使用PowiGaN，功率比較小的應(yīng)用采用硅技術(shù)的MOSFET更具成本優(yōu)勢。

封裝方面和以前一樣，唯一不同的是增加了一些引腳，包括直接連接Type-C協(xié)議通信的CC1和CC2引腳；NTC是增加的一個過溫檢測引腳，可以連接熱敏電阻來監(jiān)測系統(tǒng)中過溫故障易發(fā)生的位置點。

圖：InnoSwitch3-PD封裝滿足國際安規(guī)要求
InnoSwitch3-PD適用于快充的一些主要特性包括：支持PD3.0和PPS協(xié)議，可以實現(xiàn)編程控制，根據(jù)負(fù)載指令來調(diào)整輸出電壓和電流；兼容高通的QC4.0協(xié)議。InnoSwitch3-PD不像一些傳統(tǒng)功率器件，其內(nèi)部有一次性可編程存儲器，協(xié)議軟件需要寫進(jìn)IC內(nèi)部，而且可根據(jù)客戶的特殊應(yīng)用需求對軟件加以定制，批量供貨的IC會已經(jīng)包含客戶定制的協(xié)議軟件，這樣可以大大簡化客戶微處理器協(xié)議軟件的維護，產(chǎn)品研發(fā)期間也無需請專門的軟件工程師寫PD軟件，節(jié)省研發(fā)時間。內(nèi)部集成Type-C控制器可簡化設(shè)計，符合USB Type-C 1.3標(biāo)準(zhǔn)，提供的上拉電流源可用于負(fù)載和線纜的檢測，VCONN供電用于電子標(biāo)識線纜的識別；同時提供CC1/CC2線的過壓保護（28V）功能。

圖：高功率密度設(shè)計
一張電路圖為PD/Type-C創(chuàng)新而生

與PI其他的InnoSwitch3器件相比，InnoSwitch3-PD最大輸出功率可達(dá)100W，主要用于PD適配器的應(yīng)用。PI提供多款元件型號，涵蓋不同的功率應(yīng)用范圍。如用戶沒有特殊的PD應(yīng)用需求，PI提供的標(biāo)準(zhǔn)型號產(chǎn)品內(nèi)部已經(jīng)集成了PD協(xié)議軟件，包含不同的PDO（電源數(shù)據(jù)對象）輸出參數(shù)；對應(yīng)不同功率大小，也有相應(yīng)的APDO（增強電源數(shù)據(jù)對象）輸出特性，組合非常靈活。

圖：InnoSwitch3與之前產(chǎn)品的特性比較
InnoSwitch3-PD增加的一些功能包括：內(nèi)部集成Type-C控制器，提供集成VCONN開關(guān)、BMG（雙向符號編碼）發(fā)送和接收，所謂BMC是用一條線同時傳輸數(shù)據(jù)和時鐘，通過相位變化來表示數(shù)據(jù)是0還是1；最后提供所有必需的USB-PD和PPS功能。

圖：兩款參考設(shè)計
總之，InnoSwitch3-PD是唯一的USB PD單芯片解決方案，承襲了InnoSwitch3系列一貫的卓越性能，效率極高，低空載功耗，具有完善的保護，可以顯著減少BOM，非常適合要求超薄小巧外形的應(yīng)用或超薄設(shè)計，單面PCB易于大批量生產(chǎn)。